高压大功率储能变流器及其母线平衡电路、方法与流程

本发明涉及逆变器领域，尤其涉及一种高压大功率储能变流器及其母线平衡电路、方法。

背景技术：

1、随着新能源发电的增长，确保电网“削峰填谷”的储能变流器成为众多应用场景的标配，随着行业内降成本的要求，母线电压也持续在增加，即同样功率条件下，母线电压越高，输出电压越高，则输出电流也就越小，线缆和变压器的一次投资额也就越低。另外伴随着众多新用电设备的推出，对于储能变流器的要求也越发增加，下游越发要求储能变流器可以在离网条件下带半波载；而母线高压条件下，如何实现储能变流器安全可靠带半波载就成为行业内日渐棘手的课题。如图1所示，半波载的定义是每个相电压的输出都有一个二极管，因此负载实际消耗的都是某一个固定的正母线或负母线能量。目前有两种常见的方案：

2、方案1，参考公开号为cn204794670u的专利，此方案已经在1100v系统中得到大量应用，这种拓扑上下管igbt都需要耐受整体母线电压，而现市面上厂家的igbt多为1500v以下，如果应用于1500v系统中，这种方案非常容易造成igbt过压击穿。

3、方案2，参考公开号为cn116647097a的专利，为串联2个igbt去耐受母线电压，由于电容耐压值的限制，1500v系统实际有4个电容，而电容要实现均压，就必须将匹配电阻(如方案二中所示的r1至r4)阻值匹配小于电容等效电阻的1/20，这样才有均压效果，这样电阻阻值过小，就需要能耐受较大的功率，从而造成成本升高，损耗的功率变大。因此，方案2的igbt在串联使用时是无法准确的平分母线电压的，一旦产生震荡，单个igbt很可能耐受整体母线电压，从而造成igbt击穿。

4、因此行业内对于高压平衡电路还没有太好的应对办法，目前只能是采用方案1，但是采用超高耐压的igbt或sic mos，但是这种半导体器件成本非常高，而且本身能够流过的电流也非常小，从而限制了带半波载的能力。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种高压大功率储能变流器及其母线平衡电路、方法。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种用于高压大功率储能变流器的母线平衡电路，所述储能变流器包括按照顺序顺次串接在正母线和负母线之间的m个母线电容，所述母线平衡电路包括n个开关组和n个共用储能电路，n＝m-1，m为偶数且大于等于4；

3、每一个母线电容均与排列在其后方的母线电容划分为一个电容组，相邻的电容组之间共用一个母线电容，m个母线电容被划分为n个电容组；

4、每一电容组配置对应的一个开关组和共用储能电路以构建一个能量中转模块，每一个能量中转模块中的开关组借助所述共用储能电路控制对应的电容组内部的两个母线电容的能量平衡，相邻的能量中转模块借助共用的母线电容实现将电压较高的母线电容的能量递进式传递给电压较低的母线电容，从而达到所有的母线电容动态均压的效果。

5、进一步地，在本发明所述的用于高压大功率储能变流器的母线平衡电路中，每一个开关组包括上开关和下开关，每一个电容组中排列在前的母线电容为上电容、排列在后的母线电容为下电容；

6、每一能量中转模块中：上开关和下开关串接，且上开关远离下开关的一端与上电容的正极连接并作为当前能量中转模块的正极，下开关远离上开关的一端与下电容的负极连接并作为当前能量中转模块的负极，上开关和下开关之间、上电容和下电容之间是通过所述共用储能电路连接。

7、进一步地，在本发明所述的用于高压大功率储能变流器的母线平衡电路中，在所述储能变流器带半波载输出时，开关组的开关频率最小是所述储能变流器的逆变电路的开关频率的n倍。

8、进一步地，在本发明所述的用于高压大功率储能变流器的母线平衡电路中，各开关组的控制回路独立，每一个开关组的控制回路在所述储能变流器带半波载输出时进行如下控制：将给定值减去开关组所隶属的能量中转模块的正极、负极之间的电压差，得到第一差值，当所述第一差值当大于设定的阈值则对能量中转模块中的上电容、下电容的能量进行平衡控制；

9、其中，所述的对能量中转模块中的上电容、下电容的能量进行平衡控制，具体包括：将所述第一差值减去流过共用储能电路的电流后进行pi调整得到第二差值，如果第二差值大于0则打开开关组中的上开关，如果第二差值小于0则打开开关组中的下开关。

10、进一步地，在本发明所述的用于高压大功率储能变流器的母线平衡电路中，所述共用储能电路为电感。

11、进一步地，在本发明所述的用于高压大功率储能变流器的母线平衡电路中，所有开关组中开关相同，为反并联了二极管的igbt或者mosfet。

12、二方面，构造一种母线平衡方法，方法包括：每一个能量中转模块中的开关组借助所述共用储能电路控制对应的电容组内部的两个母线电容的能量平衡，相邻的能量中转模块借助共用的母线电容实现将电压较高的母线电容的能量递进式传递给电压较低的母线电容，从而达到所有的母线电容动态均压的效果。

13、其中，所述的每一个能量中转模块中的开关组借助所述共用储能电路控制对应的电容组内部的两个母线电容的能量平衡，具体包括：将给定值减去开关组所隶属的能量中转模块的正极、负极之间的电压差，得到第一差值，当所述第一差值当大于设定的阈值则对能量中转模块中的上电容、下电容的能量进行平衡控制；

14、其中，所述的对能量中转模块中的上电容、下电容的能量进行平衡控制，具体包括：将所述第一差值减去流过共用储能电路的电流后进行pi调整得到第二差值，如果第二差值大于0则打开开关组中的上开关，如果第二差值小于0则打开开关组中的下开关。

15、三方面，构造一种高压大功率储能变流器，包括逆变电路和所述的母线平衡电路。

16、本发明的高压大功率储能变流器及其母线平衡电路、方法，具有以下有益效果：本发明中，母线电容不小于4个，开关组的数量不小于3个，而且将每一个母线电容与其后方的母线电容一起作为一个电容组，也就是说，除了第一个和最后一个母线电容外，其他母线电容会同时隶属于两个电容组，然后为每一电容组配置对应的一个开关组和共用储能电路以构建一个能量中转模块，每一个能量中转模块中的开关组借助共用储能电路控制对应的电容组内部的两个母线电容的能量平衡，而由于相邻的能量中转模块存在共用母线电容的情况，所以相邻的能量中转模块借助共用的母线电容实现将电压较高的母线电容的能量递进式传递给电压较低的母线电容，最终达到所有的母线电容动态均压的效果，对于大功率储能逆变器而言，可排除超高压开关管的使用，采用常见的开关管，这样有效降低开关管成本；同时采用开关管并联，也可以最大限度增加逆变器带不平衡载的能力。

技术特征：

1.一种用于高压大功率储能变流器的母线平衡电路，其特征在于，所述储能变流器包括按照顺序顺次串接在正母线和负母线之间的m个母线电容，所述母线平衡电路包括n个开关组和n个共用储能电路，n＝m-1，m为偶数且大于等于4；

2.根据权利要求1所述的用于高压大功率储能变流器的母线平衡电路，其特征在于，每一个开关组包括上开关和下开关，每一个电容组中排列在前的母线电容为上电容、排列在后的母线电容为下电容；

3.根据权利要求1所述的用于高压大功率储能变流器的母线平衡电路，其特征在于，在所述储能变流器带半波载输出时，开关组的开关频率最小是所述储能变流器的逆变电路的开关频率的n倍。

4.根据权利要求1所述的用于高压大功率储能变流器的母线平衡电路，其特征在于，各开关组的控制回路独立，每一个开关组的控制回路在所述储能变流器带半波载输出时进行如下控制：将给定值减去开关组所隶属的能量中转模块的正极、负极之间的电压差，得到第一差值，当所述第一差值当大于设定的阈值则对能量中转模块中的上电容、下电容的能量进行平衡控制；

5.根据权利要求1所述的用于高压大功率储能变流器的母线平衡电路，其特征在于，所述共用储能电路为电感。

6.根据权利要求1所述的用于高压大功率储能变流器的母线平衡电路，其特征在于，所有开关组中开关相同，为反并联了二极管的igbt或者mosfet。

7.一种基于权利要求1-6任一项所述的用于高压大功率储能变流器的母线平衡电路实现的母线平衡方法，其特征在于，所述方法包括：每一个能量中转模块中的开关组借助所述共用储能电路控制对应的电容组内部的两个母线电容的能量平衡，相邻的能量中转模块借助共用的母线电容实现将电压较高的母线电容的能量递进式传递给电压较低的母线电容，从而达到所有的母线电容动态均压的效果。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述的每一个能量中转模块中的开关组借助所述共用储能电路控制对应的电容组内部的两个母线电容的能量平衡，具体包括：将给定值减去开关组所隶属的能量中转模块的正极、负极之间的电压差，得到第一差值，当所述第一差值当大于设定的阈值则对能量中转模块中的上电容、下电容的能量进行平衡控制；

9.一种高压大功率储能变流器，其特征在于，包括逆变电路和如权利要求1-6任一项所述的母线平衡电路。

技术总结一种高压大功率储能变流器及其母线平衡电路、方法，储能变流器包括按照顺序顺次串接的M个母线电容，母线平衡电路包括N个开关组和共用储能电路，每一母线电容与其后方的母线电容一起作为一个电容组，每一电容组配置对应的一个开关组和共用储能电路以构建一个能量中转模块，每一个能量中转模块中的开关组借助共用储能电路控制对应的电容组内部的两个母线电容的能量平衡，相邻的能量中转模块借助共用的母线电容实现将电压较高的母线电容的能量递进式传递给电压较低的母线电容，最终达到所有的母线电容动态均压的效果，对于高压大功率逆变器而言，可排除超高压开关管的使用，采用常见的开关管，这样有效降低开关管成本；同时采用开关管并联，也可以最大限度增加逆变器带不平衡载的能力。技术研发人员：张佩刚,槐刚,杨元胜,张雨生受保护的技术使用者：深圳市盛弘艾苏娜能源科技有限公司技术研发日：技术公布日：2024/7/23